Seguridad Nuclear en el PWR-W · alta presión y sistema de baja presión. ... Aumento de presión...
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Seguridad Nuclear en el PWR-W Kevin Fernández-Cosials Seminario de Reactores Avanzados ETSI Industriales, Web Version 2017
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Seguridad Nuclear en el
PWR-W
Kevin Fernández-Cosials
Seminario de Reactores AvanzadosETSI Industriales, Web Version 2017
Todo lo que siempre quiso saber sobre
el PWR-W pero nunca se atrevió a
preguntar
Kevin Fernández-Cosials
Seminario de Reactores AvanzadosETSI Industriales, Web Version
Explicación sobre la presentación
La presentación irá comentando los componentes básicos del PWR y se guiará a través de los accidentes.
La presentación contiene pequeñas bombillas que son preguntas normalmente complejas sobre la diapositiva en cuestión.
Una vez clicada la bombilla se guiará hasta la diapositiva de la pregunta. La diapositiva tiene un botón de retorno que devuelve a la diapositiva original (Get Back)
Índice
1 Introducción: Componentes y Sistemasbásicos
2 Transitorio: Large Break Loss of Coolant Accident (LBLOCA)
3 Transitorio: Small Break Loss of Coolant Accident (SBLOCA)
4 Transitorio: Station BlackOut (SBO)
1 Introducción: El Reactor PWR
Ref: ICONE 2015, nº 22-30445; Jiménez, Fernández-Cosials, Bocanegra, Queral,
Montero.
Circuito primario
Circuito secundario
Introducción: El Reactor PWR
Fluido: moderador, reflector, disolvente, refrigerante
Componente: Vasija
Funciones: •Contiene el núcleo y actúa como barrera de presión del refrigerante.• Soporta y alinea los componentes internos.• Carcasa cilíndrica construida de acero al carbono con recubrimiento interior de acero inoxidable austenítico.• En la parte superior están las toberas de entrada-salida del refrigerante.• La cabeza es semiesférica, del mismo material y unida a la vasija mediante pernos. • Lleva penetraciones para la inserción de barras de control y termopares.
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Parámetros característicos:• Longitud total con tapa : 12,99 m• Diámetro interior : 3,99 m• Presión de operación: 155 kg/cm2
• Temperatura : 343ºC• Material : acero al carbono & acero inox
Circuito primario
Circuito secundario
Fluido: moderador, reflector, disolvente, refrigerante
Introducción: El Reactor PWR
Componente: Generador de vapor•Tubos en U
•Tiene una sección de evaporación ( mitad inferior)
•Sección de vapor y separación de humedad ( parte superior)
•Altura total : 22 m
•Diámetro exterior ( superior) : 5,1 m
•Diámetro exterior ( inferior) : 3,8 m
•Presión de funcionamiento : 155 kg/ cm2 ( lado de tubos)
•Presión de diseño : 172 kg/ cm2
•Temperatura de diseño: 343 ºC
•Presión lado carcasa: 75,8 kg/cm2
•Flujo de refrigerante : 4850 kg/ seg
•Temperatura agua : Entrada 332 ºCSalida : 292ºC
Componente: Generador de vapor
Características Generales
• Tienen dos partes: la zona de evaporación y la sección de vapor y separación de humedad.
• El lado primario del GV consiste en un fondo hemisférico dividido en dos mitades por la placa de partición y el haz tubular.
• El refrigerante del reactor fluye hacia una de las mitades del fondo y pasa a través de los tubos en U de Inconel. Luego vuelve a la otra mitad del fondo para salir del GV.
• El agua de alimentación fluye entre el haz de tubos.
• Los tubos forman la barrera de separación entre el primario y el secundario.
• El secundario está formado por una carcasa y de una zona superior que tiene el separador de humedad.
• A la salida del haz de tubos , el agua de alimentación se convierte en vapor en un 30%.
• Esta agua se mejora en calidad llegando hasta el 99.75% en vapor seco.
Circuito primario
Circuito secundario
Fluido: moderador, reflector, disolvente, refrigerante
Introducción: El Reactor PWR
Componente: Presionador
Mantiene la presión del SRR y limita cambios de presión
Mantiene equilibrio liquido-vapor saturado en el SRR
Parámetros:
• Altura total : 14,5 m
• Diámetro exterior: 2,3 m
• Presión: 172 kg/cm2
• Temperatura: 360ºC
• Resistencias de caldeo: 78
• Válvulas de alivio: 2
• Válvulas de seguridad: 3
• Material: acero
En operación normal el 60% agua y el resto vapor
Existe un sistema de control de nivel del presionador
Existe un sistema de control de la presión del presionador
Circuito primario
Circuito secundario
Fluido: moderador, reflector, disolvente, refrigerante
Introducción: El Reactor PWR
• Bomba vertical centrífuga
• Caudal nominal: 21508 m3/h
• Altura manométrica total: 89 cm
• Temperatura succión: 291ºC
• Velocidad de giro 1485 rpm
Componente: Bombas de Refrigeración
del Núcleo
Función:-Establecer la circulación forzada delrefrigerante del reactor procedentedel GV para enviarlo de nuevo a lavasija del reactor.
Partes
Sección hidráulica
Sección de cierres
Sección de accionamiento
Sistema: Sistemas de control del reactor
• Sistema de control de barras
• Sistema de control de presión del presionador
• Sistema de control de nivel del presionador
• Sistema de control de baipás de turbina, MSB
• Sistema de control de agua de alimentación principal
• Sistema de control electrohidraúlicode turbina, DEH
• Sistema de mitigación de ATWS (transitorios anticipados sin disparo del reactor)
• Sistema de mitigación de sobrepresiones en frío, COMS
• Disparo del reactor (SCRAM)
Núcleo: alto flujo neutrónico, brusca variación del flujo neutrónico .
Primario: disparo RCP, ΔT, OT ΔT, OP ΔT, bajo caudal.
Presionador: alta presión, baja presión, alto nivel.
Generadores de vapor: bajo nivel, bajo caudal MFW.
Turbina: disparo de turbina.
Inyección de seguridad: actuación de SIS sin SCRAM previo.
Manual
Sistema: Sistemas de protección del reactor
Sistema: Sistemas de Fluidos
• Control químico y volumétrico
• Evacuación de calor residual
• Reciclado de boro
Sistema: Sistemas de Fluidos
Sistema: Control Químico y Volumétrico
Mantiene el nivel de agua en el presionador.
Mantiene el inventario de agua del SRR
Mantiene el caudal de inyección de agua de sellado de las bombas de refrigeración
Controla las condiciones químicas del agua, el nivel de actividad y la concentración de boro (Cb).
Sirve para el llenado, drenaje y prueba de presión del SRR.
Efectua la purificación del agua de refrigeración, durante las paradas y durante las recargas.
Sistema: Control Químico y Volumétrico
Sistema:Sistema de Evacuación del Calor Residual
La función principal es disipar el calor del núcleo y el del SRR durante las paradas de la central y las recargas de combustible.
Una parte del sistema funciona conjuntamente con el SIS en situaciones de emergencia.
Consta de dos o tres trenes , según el nivel de potencia térmica , que llevan cada uno: intercambiadores de calor, bombas de circulación, válvulas y controles.
Se pone en funcionamiento cuando después de una parada se alcanza una T de 177ºC y 28 kg/cm2
En los intercambiadores del RHRS circula agua a 35ºC . El agua de refrigeración pasa por las carcasas de estos cambiadores y se alcanza una temperatura de 65ºC en las 8 primeras horas Una bomba del SRR se mantiene en funcionamiento para asegurar el enfriamiento de la central hasta que se llega a los 71ºC
Sistema:Sistema de Evacuación del Calor Residual
El objeto es procesar y reciclar agua borada así como reducir el contenido de los efluentes químicos y productos radiactivos.
Las funciones básicas son:
a. Recoger efluentes borados radiactivos del SRR y de otras fuentes durante la operación.
b. Procesar el volumen de carga que se recoge durante un ciclo del combustible y absorber los excesos de caudal de agua.
c. Procesar el agua de reciclado hasta producir una disolución de boro al 4% con la química adecuada.
Sistema:Sistema de Reciclado de Boro
LBLOCA (Large Break Loss of Coolant Accident)
SBLOCA (Small Break Loss of Coolant Accident)
SBO (Station Black Out)
2 Transitorios
LBLOCA (Large Break Loss of Coolant Accident)
LBLOCA (Large Break Loss of Coolant Accident)
2 Transitorios: LBLOCA
LBLOCA: Evolución
LBLOCA: Fases
En los 2 ó 3 primeros minutos después de un LOCA hay cuatro fases:
1. Blowdown: el refrigerante sale del SRR.
LBLOCA: Blowdown
Presión primario vs tiempo
Ref: LBLOCA Analysis in a Westinghouse PWR 3 Loop Design Using RELAP5/MOD3, NUREG/IA-0195, J.I. Sánchez; C.A. Lage y T. Nuñez, ENUSA. NRC
LBLOCA: Blowdown
LBLOCA: Evolución
Sistema de inyección de seguridad (SIS)/ acumuladores (ACC)
Sistema: Sistema de Inyección de Seguridad
● Sistema de inyección de seguridad (SIS)/ acumuladores (ACC)
Sistema: Sistema de Inyección de Seguridad
Sistema:
Inyección de Seguridad Activa
Esta fase se realiza mediante dos sistemas: sistema de alta presión y sistema de baja presión.
El SIS inyecta agua borada en el SRR en caso de roturas grandes y pequeñas, que producirían una gran pérdida de agua.
El SIS se compone de dos o tres trenes de inyección, que succionan agua del tanque de almacenamiento del agua de recarga (TAAR). El agua borada de recarga se bombea a través de los intercambiadores de calor de evacuación del calor residual y de las líneas de inyección de alta presión a las ramas frías del SRR.
La inyección activa se acciona en los siguientes casos:a. Detección de baja presión en el presionador (2/3 canales de
instrumentación)b. Aumento de presión en la contención (2/4 canales)c. Enfriamiento excesivo del refrigerante (2/3 canales) d. Enfriamiento excesivo detectado por medidores de presión
en una de las líneas de vapor.
Sistema:
Inyección pasiva de los acumuladores
El agua borada está almacenada a unos 45 kg/cm2 , bajo presión de nitrógeno, en tanques acumuladores ( uno por lazo).
En esta fase, el agua se inyecta en la rama fría del SRR, El contenido de los acumuladores se descarga automáticamente cuando la despresurización del SRR provoca una inversión en la presión a través de las válvulas de retención de la tubería de inyección del acumulador.
Los acumuladores proporcionan un enfriamiento rápido del núcleo cuando se producen grandes roturas
Transitorios: LBLOCA
En los 2 ó 3 primeros minutos después de un LOCA hay cuatro fases:
1. Blowdown: el refrigerante sale del SRR.2. Bypass: cuando el vapor ascendiente del downcomer impide
inyectar el agua de refrigeración en la parte inferior de la vasija
Transitorios: LBLOCA
LBLOCA: Bypass
LBLOCA: Bypass
LBLOCA: Fases
En los 2 ó 3 primeros minutos después de un LOCA hay cuatro fases:
1. Blowdown: el refrigerante sale del SRR.2. Bypass: cuando el vapor ascendiente del downcomer impide
inyectar el agua de refrigeración en la parte inferior de la vasija3. Refill : cuando el agua del sistema de refrigeración de emergencia
comienza a llenar el reactor hasta cubrir la parte inferior de la vasija del reactor.
4. Reflood: cuando el refrigerante va subiendo el nivel del agua hasta que es lo suficientemente alto como para refrigerar el núcleo.
LBLOCA: Refill
LBLOCA: Refill
LBLOCA: Reflood
LBLOCA: Reflood
LBLOCA: Evolución
SIS: Recirculación
La fase de inyección de seguridad termina cuando el nivel del agua en el TAAR baja de un cierto nivel. En ese momento las bombas no succionan del mismo sino del sumidero del recinto de contención.
Nivel de líquido en el núcleo
Ref: LBLOCA Analysis in a Westinghouse PWR 3 Loop Design Using RELAP5/MOD3, NUREG/IA-0195, J.I. Sánchez; C.A. Lage y T. Nuñez, ENUSA. NRC
LBLOCA: Reflood
Ref: ICONE 2015, nº 22-30445; Jiménez, Fernández-Cosials, Bocanegra, Queral, Montero.
LBLOCA: Reflood
Ref: ICONE 2015, nº 22-30445; Jiménez, Fernández-Cosials, Bocanegra, Queral, Montero.
LBLOCA: Reflood
● En el peor transitorio de LOCA se deben asegurar los siguientes parámetros:
– Temperatura de vaina de combustible < 1204ºC
– Oxidación vaina < 17% de espesor de la vaina.
– Producción de hidrógeno < 1% del total posible (si todo el zircaloydel núcleo se oxidase).
– Geometría del núcleo intacta.
– Se mantiene la capacidad de refrigeración a largo plazo del núcleo.
2 Transitorios: LBLOCA
SBLOCA (Small Break Loss of Coolant Accident)
En el SBLOCA la presión del SRR se queda estancadaa un valor alto (80-90 bar) al no poder desalojar porla rotura más inventario.
El operador puede tomar acciones para reducir eltiempo a alta presión haciendo estrategias de bajadade presión del SRR: despresurización del secundariopara enfriar el primario y luego despresurización delprimario con la ducha y las válvulas de alivio delpresionador
El objetivo es llegar lo antes posible a presión deinyección de los acumuladores (45 bar) y de lainyección de baja presión (14 bar)
2 Transitorios: SBLOCA
2 Transitorios: SBLOCA
Small
LOCA HPSI
Secondary
Heat
Removal
Feed and bleed
Acumuladores LPSI
SBLOCA: Evolución
Presión primario vs tiempo
SIS Alta presión
Acumuladores
SIS Baja Presión
SBLOCA: Evolución
● Agua de alimentación auxiliar
3 Sistemas de salvaguardias tecnológicas
Sistema de agua de alimentación auxiliar (AFW)
Su función es proporcionar agua de refrigeración a losgeneradores de vapor, cuando el suministro normal deagua de alimentación a dichos generadores se interrumpedebido a:
1. Paro de todas las bombas de alimentación por una pérdidade corriente eléctrica
2. Funcionamiento incorrecto del sistema de alimentación
Enfría el núcleo evitando la sobrepresión del sistema derefrigeración del reactor, y descubrimiento del núcleo pordescenso del nivel de agua de la vasija, hasta que sealcanzan las condiciones que permiten entrar al SECR.
El calor se elimina mediante liberación del vapor a laatmósfera a través de válvulas de alivio accionadaseléctricamente, o por válvulas de seguridad.
El AFW mantiene el inventario de agua de los GV.
Small
LOCAHPSI Secondary
Heat Removal
Feed and bleed
Acumuladores LPSI
SBLOCA: Evolución
Sello del lazo
SBLOCA: Sello del Lazo
Presión primario vs tiempo
SIS Alta presión
Acumuladores
SIS Baja Presión
SBLOCA: Evolución
SBLOCA: Evolución
SBLOCA: Evolución
Sistema de rociado del spray
Sistema: Sistema de Rociado del Spray
Sistema: Sistema de aislamiento, rociado y
refrigeración de la contención
El sistema de rociado del recinto de contención cumple las siguientes funciones de seguridad:
a. Reduce la presión del recinto de contención por evacuación de calor, después de un LOCA. Se realiza mediante el rociado de agua borada.
b. Reduce la cantidad de yodo en el recinto de contención y las posibles emisiones radiactivas al exterior, después de un LOCA
c. Permite el ajuste del pH del agua del sumidero del recinto de contención , reduciendo el riesgo de corrosión por cloruros en los componentes del acero.
SBO (Station BlackOut)
2 Transitorios: SBO
Diseño original:
-Dos circuitos independientes de suministro eléctrico exterior (mínimo)
-Dos generadores diesel 1E
Legalmente, SBO supone perder todas las fuentes de CA (salvo lasuministrada de baterías por inversores)
2 Transitorios: SBO
● Diseño original:
● Dos circuitos independientes de suministro eléctrico exterior (mínimo)
● Dos generadores diesel
● SBO supone perder todas las fuentes de CA (salvo la sumistrada de baterías por inversores)
● NUREG-75/140 “Reactor Safety Study”: SBO contribuyente importante al riesgo
● 1989: 10CFR50.63: se requiere “coping analysis” para 2, 4 u 8 h (según emplazamiento)
APS Surry, 1991
2 Transitorios: SBO
SBO: Evolución
Sistema de agua de alimentación auxiliar (AFW)
Su función es proporcionar agua de refrigeración a losgeneradores de vapor, cuando el suministro normal deagua de alimentación a dichos generadores se interrumpedebido a:
1. Paro de todas las bombas de alimentación por una pérdidade corriente eléctrica
2. Funcionamiento incorrecto del sistema de alimentación
Enfría el núcleo evitando la sobrepresión del sistema derefrigeración del reactor, y descubrimiento del núcleo pordescenso del nivel de agua de la vasija, hasta que sealcanzan las condiciones que permiten entrar al SECR.
El calor se elimina mediante liberación del vapor a laatmósfera a través de válvulas de alivio accionadaseléctricamente, o por válvulas de seguridad.
El AFW mantiene el inventario de agua de los GV.
● Agua de alimentación auxiliar
3 Sistemas de salvaguardias tecnológicas
Presión en primario ante un SBO sin turbobomba
SLOCA
Apertura SRV
Ruptura HL
Ref: Annals of Nuclear Energy 2015; Fernández-Cosials, Jiménez, Barreira, Queral.
SBO: Evolución
Presión en primario ante un SBO con turbobomba
Azul : Sin TB
Rojo: Con TB
Corium en la parte baja de la vasija
Rotura de la vasija
Ref: Annals of Nuclear Energy 2015; Fernández-Cosials, Jiménez, Barreira, Queral.
SBO: Evolución
SBO: Control de Hidrógeno
Posibles medidas:
PARs: Recombinadores
de hidrógeno.
Ignitores: Combustión
controlada de Hidrógeno
Inertizadores: Creación
de mezclas no
inflamables.
Venteo Filtrado:
Expulsión de hidrógeno
mediante venteos
¿Por qué se opera a 155 bares?
Get Back
Quiero generar
1000 MWe
Quiero vapor a 72
bar.
Quiero evaporar el
agua a 300 ºC
Te daré agua
a 315 ºC,
pero me
dejaré un
margen de
seguridad
para que
nunca entre
en
saturación.
Margen: 30ºC
¿Por qué los generadores de vapor son tan altos ?
Get Back
Inconvenientes:
Peligrosidad ante sismos
Dificultad de transporte y
acople
Menos resistencia a las
grietas por fatiga
Ventajas:
La calidad del
vapor es mucho
mejor.
¿Por qué no hay válvulas de asilamiento de lazos?
Get Back
Accidente de cierre
espurio de una
válvula:
Extremadamente
peligroso
¿Por qué no se inyecta directamente a vasija?
Get Back
Inconvenientes:
Choque térmico
muy grande.
Solución: Mejorar
materiales o
construcción de la
vasija (AP1000 p.
ej.)
¿Por qué no se puede usar la propia energía del reactor para alimentar la planta?
Get Back
En realidad hay modelos (KWU p.ej.) que si que pueden…
Operación en Modo ISLA:
Desconexión de la red externa y funcionamiento en isla.
Central Nuclear de Trillo con esta capacidad, no necesitó estudios
requeridos por el “Guidelines and Technical Bases for the Station
Black Out Rule” NUMARC 8700 - 1987.
Requerimientos: Bombas de velocidad variable
